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Einrichtung zur Neutronenflußregelung eines Kernreaktors Zur Regelung
des Neutronenflusses bei Kernreaktoren ist es bekannt, schrì tweise abaenkbare und
heterogen über den Kernreaktor verteilte Neutronenabsorber sowie zusätzlich lösliche
und homogene Neutronengifte zu verwenden. Die als Regelstäbe ausgebildeten Neutronenabsorber
weisen meist die Form von Fingerregelstäben auf, die in bestimmte Brennelemente
eingefahren werden und ein relativ hohes Absorbtionsvermögen haben.
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Sie sind mit einem Antrieb gekoppelt, durch den sie schrittweise in
den Reaktorkern abgesenkt oder aus ihm ausgefahren werden können, eo daß sie mehr
oder weniger Neutronen absorbieren.
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Dem Wirkungsgrad eines derartigen Reaktors sind jedoch verschiedene
Grenzen gesetzt. So ist z.B. die radiale Flußverteilung nicht überall gleich und
die axiale Flußverteilung weist starke Unregelmäßigkeiten auf, da durch das teilweise
Einfahren von Regelatäben das Entstehen von Xenon begünstigt wird. Darüber hinaus
sind die Hegelstabantriebe für die beschriebenen Hegelstäbe sehr aufwendig.
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Die gesamte teistungshöhe, die sicher und wirkungsvoll erhalten werden
kann, wird durch radiale Flußspitzen beeinflußt. Solche Flußspitzen sind charakteristisch
für nichthomogene Reaktorkerne. Dabei ist der Abstand jedes Brennstabes von umgebenden
Regelstäben, sog. heiße Kanäle", sowie die Konzentration der lösbaren Neutronengifte
für den Neutronenfluß in der Umgebung der Stäbe maßgebend. Da der Abstand sic von
Stab zu Stab andert, ändern sich also auch Flußdichte und Leistungsdichte.
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Axiale Unterachiede in Flußdichte und Leistungsdichte sind bedingt
durch das teilweise Einfahren von Regel stäben, wodurch dem Betrieb und dem Leistungsvermögen
eines Reaktors Grenzen gesetzt sind. Ein Regelstab absorbiert lediglich in den Gebieten,
durch die er hindurchgeführt wird, eine beatimmte Anzahl von Neutronen. Die dabei
entstehenden Flußspitzen verstärken den Heißkanalfaktor, wodurch direkt die maximal
erreichbare Leistungshöhe begrenzt wird. Da außerdem das Anfallen von Xenon durch
Leistungs- oder Plußdichteänderung bedingt sind, kann durch das entstehende Xenon
der Reaktor nur schwer geregelt werden. Dieser letzte Faktor bildet auch das wesentliche
Hindernis dafür, derartige Regelstäbe zur Lastfolgeregelung zu verwenden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu
schaffen, mit der eine Flußregelung in einem Reaktorkern weniger aufwendig und dennoch
wirkungsvoller durchgeführt werden kann.
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Die Erfindung wird dabei darin gesehen, daß mindestens ein Teil der
Brennelemente im Reaktorkern mit Führungsrohren zur Aufnahme von Regelstäben versehen
ist und daß die Regelstäbe einzeln durch gesonderte Antriebe lediglich voll in den
Reaktorkern einfahrbar oder aus diesem ausfahrbar sind.
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Mit der Anordnung derartiger Regelstäbe ist es möglich, örtliche Flußspitzen
zu unterdrücken sowie die üblichen Regelfunktionen eines Reaktors zu verbessern
So werden z.B. axiale Flußspitzen, die durch teilweises Einfahren der bekannten,
schrittweise beweglichen Regelstäbe erzeugt wurden, vermieden, da die Regelstäbe
nach der Erfindung lediglich voll über die ganze Länge des Reaktorkern einfahren.
Darüber hinaus können Leistungsdichteveränderung und damit das Entstehen von Xenon
weitgehend vermieden werden. Schließlich ist die Verwendung derartiger Regelstäbe
auch für die ausbildung des Antriebes von Vorteil, da ein Antrieb, der lediglich
in zwei Stellungen
gefahren werden muß, erheblich einfacher ist
als ein schrittweise arbeitender Antrieb für die herkömmlichen Regelstäbe.
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Nach der Erfindung können je zwei Regelstäbe durch ein Verbindungsstück
am oberen Ende zu einer Einheit zusammengefaßt sein und über ein an das Verbindungsstück
angreifendes Gestänge gehoben und gesenkt werden. Ferner ist es vorteilhaft, wenn
jedem Brennelement mehr als ein Regelstab zugeordnet ist.
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Im allgemeinen weist jeder Regelstab die gleiche aktive Länge wie
der Reaktorkern auf. Es ist aber auch möglich, daß ein Teil der Regelstäbe nur auf
Teilstücken ihrer wirksamen Länge mit neutronenabsorbierendem Material versehen
ist, um auch örtliche axiale Flußspitzen auszugleichen.
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Anhand einer schematischon Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise
eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt Fig.
1 einen Längaschnitt durch einen Teil eines Reaktors sowie Fig. 2 die Aufsicht auf
das Traggitter eines Reaktorkerns.
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In Fig. 1 ist ein Kernreaktor mit einem Regelsyetem nach der Erfindung
dargestellt. Ein zylindrisches Druckgefäß 10 ist mit einem gewölbten Deckel 12 dicht
verschlossen. Das Druckgefäß 10 hat Kühlmitteleinlässe und Kühlmittelauslässe 16
in der zylindrischen Wandung wie ein herkömmlicher Kernreaktor. Der Deckel 1-2 weist
eine Mehrzahl von Durchführungen 18 auf, die dicht durch die kugelkalottenförmige
Wandung geführt sind.
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'Piese urchführungen 18 verlaufen parallel zur Achse des Druckgefäßes.iO.er
Kernbehälter 20 ist an einem nach innen ragenden Anechlàg dicht unterhalb des oberen
Endes des Druckgefäßes 10 aufgsiigt. Eine obere Tragplatte 22 und eine obere Kerngitterplatte
24 bilden ein stabiles oberes Gerüst, indem sie
durch die Stützen
23 und speziell durch den Kernbehälter 20 gehalten erden. Darüber hinaus wird eine
untere Kerngitterplatte, die nicht näher dargestellt ist, in herkömmlicher Weise
vom Kernbehälter 20 gehalten.
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ras Kühlmittel, das durch die Einlässe eintritt, strömt durch einen
ringförmigen Strömungekanal 30, der durch die unteren Wände des Druckgefäßes 10
und des Kernbehälters 20 gebildet wird, zu einem Kühlmittelsammelraum am Boden des
Reaktors. Der Ringkanal 30 enthält außerdem ein thermisches Schild 32. Vom Kühlmittelammelraum
am Boden verläuft die Strömung axial aufwärts durch die Räume zwischen den Kerngitterplatten
in einen oberen Sammelraum 34 v<rn dem aus das Kühlmittel dann durch den Auslaßtutzen
16 zur nicht näher dargestellten Energieerzeugungsanlage abgeführt wird.
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Die Brennelemente 36 sind parallel zueinander zwischen der oberen
Kerngitterplatte 24 und der unteren Gitterplatte aufgehängt und in den beiden Gitterplatten
durch Paßstifte genau lokalisiert. Die Brennelemente 36 enthalten eine Reihe von
Brennstäben 38 und Fuhrungerohren 40t die zwischen den Brennstäben angeordnet und
in einet vorgegebenen Abstand zueinznder durch ein Gerüst 42 nach Art eines Stegrasters
mit hochkantgestellten, sich kreuzenden Stegen gehalten werden. Die Führungsrohre
40 dienen zur Aufnahme der einzelnen Regelstäbe 44 der verschiedenen Regelstabbündel
48.
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Die Regelstäbe 44 sind aus einem neutronensbBorbierenden Material,
wie z.B. Silber-Indium-Cadnium, hergestellt und mit einer temperatur- und korrosionebeständigen
Metallhülle, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, umhüllt. Die Regelstäbe 44 haben
ungefähr dieseib. Länge wie die Führungsrohre 40, so daß Jeder Stab Neutronen über
den gesamten Kernquerschnitt absorbiert, wenn er voll eingefahren ist. Dabei sei
feetgehalten, daß ein Teil der lunge einiger Regelstäbe aus einem Material von geringem
oder vernachlässigbarem Neutronenabsorbtionseinfangquerschnitt
besteht,
was jedoch zur Komsensierung von Unregelmäßigkeiten in der axialen Flußverteilung
erforderlich ist. Die Regelstäbe sind so geeicht, daß die Einführung einer oder
zwei solcher Stäbe die Leistungsverteilung des gesamten Kernes nicht mehr verringert
oder andert ala die Einführung eine. Regelstabbündele 48.
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Das bedeutet, daß ein einziger Regelstab in der Lage ist, die Flughöhe
in seiner unmittelbaren Umgebung um einen bestimmten Betrag zu reduzieren.
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Ein Regelstabbündel 48 kann beispielsweise aus 16 Regelstäben 44 bestehen.
Dabei sind jeweils zwei Regelstäbe 44 durch ein Verbindungsstück 50 am oberen Ende
zu einer Regeleinheit 48 zusammengefaßt. Durch diese Anordnung wird eine Flexibilität
der Regelung und eine einfache mechanische Anordnung ermöglicht. Jede Regeleinheit
48 ist einzeln bevegbar, wobei ie entweder voll in den Reaktorkern eingefahren oder
voll aus dem Reaktorkern ausgezogen werden kann. Zu diesem Zweck sind die Verbindung.
stücke 50 mit einem Antriebsgegänge 52 verbunden, das bis in die oberen Antriebe
54 reicht.
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In dem Ausführungebeispiel nach Fig. 2 ist ein typischer Kernaufbau
mit einer heterogenon Verteilung von beweglichen Neutronenabsorbern näher dargestellt.
Der Kern besteht aus 157 gleichen Brennelementen 36. Davon sind 69 der Brennelemente
36 mit Regelstäben nach der vorliegenden Erfindung versehen.
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Somit hat der Kernreaktor 552 Regeleinheiten 48 und 1104 Einzelregelstäbe
44. Die besondere Anpassungsfähigkeit dee Reaktors beruht auf dieser heterogenen
Verteilung von einzeln bewegbaren Regelstäben in Verbindung mit einer chemischen
Regelung oder anderen homogenen Regelsystemen, die beispielsweise Borsäure verwenden.
Dadurch wird der Heißkanalfaktor verbessert und ein Betrieb des Reaktors auf einem
höheren Leistungsniveau ermöglich. Obwohl die Geometrie nach dem Ausführungsbeispiel
nicht eine optimal. Anordnung nach phyeikalixchen Gesichtspunkten
darstellt,
kann damit eine Leistungsverbesssrung von 15 % gegenüber den besten herkömmlichen
Regelsystemen erreicht werden. Dieses Regelsystem ermöglicht es also, die Leistung.-abgabe
des Reaktors so zu verändern, daß dieser Reaktor - im Gegensatz zu den bisher üblichen
Reaktoren, die nur für Grundlast arbeiten, - auch als Spitzenlastkraftwerk benutzt
werden kann.
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Die Arbeitateise eines Reaktors mit derartigen Regelstäben nach der
Erfindung ist ähnlich der eines herkömmlichen Reaktors, jedoch mit zwei wesentlichen
Ausnahmen. Einmal kann durch volles Einfahren einzelner ausgewählter Regeleinheiten.
48 ein geringeres Leistungsniveau erreicht werden, wodurch eine bessere Regelung
möglich ist als durch teilweises Einfahren eines oder mehrerer Regelstabbündel höheren
Absorbtionsvermögen. Darüber hinaus müssen radiale Plußspitzen nicht länger hingenommen
werden, da beim Einfahren einzelner Regel elemente derartige Spitzen abgesenkt werden,
ohne daß ernte axiale Störungen hervorgerufen oder Xenonvergiftungen bewirkt werden.
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Es kann daher festgestellt werden, daß die spezielle Reaktors regelung
nach der Erfindung die Arbeitsweise des Reaktors nicht ändert und keine Neuberechnung
der gegenwärtig bekannten Regelmöglichkeiten erfordert, daß aber eine größere Anpassungsfähigkeit
durch die Verringerung unerwünschter Polgen, die eich bei schrittweisem absenken
bekannter Regelstäbe ergeben, erreicht wird.
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5 PatentansprUche 2 Figuren